Urban Heat Cycle

Mit der fortschreitenden Urbanisierung verlagert sich der Lebensmittelpunkt vieler Menschen zunehmend in die städtischen Zentren und dicht besiedelten Ballungsräume. Nach einer Schätzung der Vereinten Nationen werden bis 2050 rund 70 Prozent der Weltbevölkerung in Städten leben. Auch wenn diese Entwicklung Stadtplaner und Bewohner vor große Herausforderungen stellt, bietet sie gleichzeitig Chancen und Potenziale für eine nachhaltige Transformation des urbanen Raumes. Ein zentraler Aspekt dieser Zukunftsaufgabe ist die Erzeugung und Bereitstellung von Energie. Obwohl Städte nur 2 Prozent der Erdoberfläche bedecken, sind sie für knapp 80 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich. Mit Blick auf den globalen Klima- und Umweltschutz wird deutlich, dass die Energiewirtschaft von morgen in den urbanen Zentren gestaltet wird. 

Noch immer zählt die Ölheizung mit 4,1 Millionen Anlagen im Jahr 2023 zu den Standard-Heizsystemen im deutschen Gebäudebestand. Mit dem neuen Gebäudeenergiegesetz (GEG) soll der Anteil klimaneutraler Energieträger im Heizöl sukzessiv von 15 Prozent ab 2029 auf 100 Prozent bis 2045 erhöht werden. Obwohl der Marktanteil nachhaltiger Heizsysteme mit regenerativen Energien stetig wächst, werden heizölbasierte Lösungen für viele Privathaushalte in den nächsten 30 – 40 Jahre relevant bleiben. Der Einsatz eines preiswerten, biobasierten Heizöl-Äquivalentes könnte aufgrund seiner Kompatibilität mit bestehender Logistik- und Gebäudeinfrastruktur eine niederschwellige Übergangslösung auf dem Weg zu einer klimaneutralen Wärmeversorgung sein. 

Da die energetische Nutzung von Pflanzenölen mit deren traditioneller Verwendung als Nahrungsmittel konkurriert, bedarf es neuer Ansätze zur nachhaltigen und skalierbaren Bereitstellung von Pflanzenölalternativen. Im Projekt UrbanHeatCycle (UHC) sollen in mikrobiellen Produktionssystemen aus lokal verfügbaren Reststoffströmen die Ausgangsstoffe für die Produktion von biobasiertem Heizöl erzeugt werden. Als biogene Reststoffe ohne signifikante Wertschöpfung sind kommunaler Klärschlamm und Abfälle aus der braunen Tonne eine ideale Kohlenstoffquelle für die fermentative Gewinnung von Intermediaten für die Herstellung biogener Energieträger.

Im Rahmen einer Rohstoffcharakterisierung soll zunächst ein geeigneter und repräsentativer Klärschlamm (Primär- oder Überschussschlamm) identifiziert und in einer umfassenden chemischen Analyse untersucht werden. In der darauffolgenden biotechnologischen Konversion wird der Klärschlamm durch die enzymatische Hydrolyse organischer Verbindungen und die anaerobe Fermentation der Intermediate in flüchtige organische Säuren und Wasserstoff umgesetzt. Neben der Optimierung des enzymatischen Aufschlusses, liegt der Fokus der Untersuchungen vor allem auf der Inhibierung der Methanogenese, da diese den Grad der FOS- und Wasserstoffbildung maßgeblich beeinflusst. Durch eine gezielte Prozesssteuerung oder die Zugabe von Additiven, soll der anaerobe Abbau nach der Acetogenese gestoppt und die Produktbildung maximiert werden. Beide Prozesse sollen zusammen mit einer Schwermetallabtrennung durch Algenbiomasse im technischen Maßstab (50 L) realisiert werden und die Grundlage für eine Skalierung im Industriemaßstab schaffen.